Chất lượng nước dùng trong pha chế cà phê

CFRR– Chất lượng nước góp phần vào hương vị của cà phê pha, vì vậy để thưởng thức cà phê ở mức độ cao nhất việc lựa chọn loại nước phù hợp là một điều bắt buộc

Tiêu chuẩn nước lý tưởng để chiết xuất cà phê

Có một phần cơ bản trong việc cảm nhận về hương vị cà phê có thể bị ảnh hưởng bởi giống cà phê, điều kiện bảo quản, cách rang, kích cỡ hạt xay, phương pháp pha, nhiệt độ và chất lượng nước pha chế (Decazy và cộng sự, 2003; Nebesny và cộng sự, 2006). Trong đó, một tách cà phê được tạo thành từ khoảng 98% là nước (cà phê pha nhỏ giọt) và khoảng 95% đối với cà phê espresso, thể hiện được nước là một biến số thiết yếu–và chất lượng của biến số này thậm chí còn quan trọng hơn. Nước dùng để pha cà phê phải đáp ứng được các tiêu chuẩn cần thiết để chiết xuất đúng hương vị và mùi thơm từ hạt cà phê (SCAA). 

Theo tiêu chuẩn SCAA: Nước cho cà phê specialty (2009) xác định giới hạn tổng độ cứng trong khoảng 17-85ppm CaCO₃, tối ưu nhất là 68ppm CaCO₃; độ kiềm là 40ppm CaCO₃ và pH7; tổng lượng clo phải bằng không (được tính với khí clo và hypoclorit dùng để khử trùng và có mùi vị khó chịu); chỉ số tổng lượng chất rắn hòa tan (TDS) tối ưu là 150mg/l.

Các yêu cầu về chất lượng nước

Đặc tính vật lý

Sự quan tâm đến các thành phần của nước được phát sinh từ khả năng ảnh hưởng xấu đến sức khỏe sau thời gian dài tiếp xúc, và có rất ít các chất hóa học trong nước dẫn đến vấn đề sức khỏe chỉ một lần tiếp xúc. Các đặc tính vật lý của nước bao gồm nhiệt độ, màu sắc, mùi và vị,…được xác định bởi các giác quan xúc giác, thị giác, khứu giác và vị giác (Pooja Arora, 2017). Nước và khoáng chất của nó được cho là thành phần quan trọng nhất tạo nên chất lượng của cà phê sau rang và xay (Navarini và Rivetti, 2010)

• Nhiệt độ: là một biến số chất lượng nước cơ bản, tùy thuộc vào vị trí địa lý mà nhiệt độ trung bình của nước nằm trong khoảng 10-21^OC. Nhiệt độ nước ảnh hưởng đến khả năng hòa tan oxy, nước nóng sẽ cao hơn trong nước lạnh. 
• Màu sắc: là một đặc tính được quan tâm của chất lượng nước, nước có màu gần như không thích hợp dùng để uống, không chỉ là chất lượng nước dùng pha chế cà phê là không màu mà hầu hết nước dùng trong sinh hoạt hay công nghiệp thường là nước không màu. Màu sắc của nước có thể cho biết sự hiện diện của cá chất hữu cơ như tảo, hoặc các chất có khả năng gây hại trong nước như vi khuẩn hay các vi sinh vật khác. 
• Vị và mùi: là do cảm giác nhận thức của con người về chất lượng nước như là vị đắng, ngọt, mặn, hay chua. Và tổng lượng clo phải bằng 0 vì một lượng khí clo và hypoclorit (OCl) được thêm vào trong nước sử dụng nhằm khử trùng sẽ tạo ra mùi vị khó chịu.

Các đặc tính hóa học của nước

Bên cạnh các đặc tính vật lý, thì nước còn chứa khoáng chất và các thành phần khác có thể ảnh hưởng đến hương vị cà phê pha có thể kể đến như canxi, magie, natri, clo, hay borat, phốt phát, silicat…( Chris Wilson, 2010; Hendon và cộng sự, 2014).

Vì nước là một phân tử bao gồm một nguyên tử oxy mang điện tích âm và hai nguyên tử hydro mang điện tích dương, được gọi là sự phân cực (H₂0) và nhờ tính chất phân cực này nên nước trở thành một dung môi rất tốt để hòa tan các hợp chất phân cực trong quá trình chiết xuất cà phê, trong khi đó dầu và chất béo là các chất không phân cực, nó hầu như không thể hòa tan trong nước (Marco Wellinger và cộng sự, 2017). Tuy nhiên trong điều kiện chiết xuất áp suất cao hoặc nhiệt độ cao như espresso và moka pot, độ hòa tan của các chất không phân cực tăng lên đáng kể (Gloess và cộng sự, 2013). Nước và các khoáng chất trong nước được cho là những thành phần quan trọng tạo nên chất lượng của sản phẩm cà phê pha cuối cùng (Navarini và cộng sự, 2010). Và tỷ lệ khối lượng nước trên lượng cà phê xay ví dụ như cà phê espresso là 1:2 (18gram cà phê xay chiết xuất được 36gram cà phê pha), mặt khác là cà phê nhỏ giọt có tỷ lệ 1:15 (15gram cà phê xay trên 225gram nước dùng để pha chế) (Marco Wellinger và cộng sự, 2017). Áp suất cũng là yếu tố được xem xét trong quá trình chiết xuất cà phê, vì độ hòa tan của CO₂ tăng mạnh theo áp suất (Sanchez và cộng sự, 2016). 

Giống hạt arabica và robusta là hai giống cà phê được sử dụng rộng rãi vì có được các đặc điểm hương vị riêng. Trong hầu hết các phương pháp pha cà phê đều phải dùng nước, và nước cũng là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến cảm nhận hương vị trong cà phê, hàm lượng, thành phần của khoáng chất và các chất khác có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cà phê pha cuối cùng. Chất lượng nước được biểu thị dựa trên tổng độ cứng và độ kiềm (ASTM, 2002; Environmental Protection Agency USA, 1999). 

Hàm lượng độ cứng

Khi nước và cà phê tiếp xúc với nhau, nước sẽ hòa tan các chất hòa tan có trong cà phê để đạt được trạng thái cân bằng về hương vị, có khả năng nâng cao độ ngon của người tiêu dùng. Nếu một thành phần của nước bị loại bỏ thì trạng thái cân bằng cũng sẽ bị thay đổi về hương vị (David Beeman và cộng sự, 2011).

Độ cứng được chia thành các loại như:

• Độ cứng cacbonat (độ cứng tạm thời): là do sự có mặt của các muối bicacbonat gồm Ca(HCO₃)₂và Mg(HOC₃)₂; và muối cacbonat gồm CaCO₃ và MgCO₃
• Độ cứng noncacbonat (độ cứng vĩnh cửu): là sự có mặt của các muối như CaCl₂, MgSO₄, và MgCl₂. 
• Độ cứng toàn phần được tính bằng tổng độ cứng cacbonat mà hai ion chính phải kể đến là Ca²⁺và Mg²⁺ (APHA và cộng sự, 1998). 

Dựa vào hàm lượng CaCO3 độ cứng được phân loại thành

Phân loại	CaCO3 tương đương (mg/L)
Mềm	<75
Cứng vừa phải	75-150
Cứng	150-300
Rất cứng	>300

Đánh giá cảm quan về chất lượng nước sẽ liên quan đến độ trong, độ ngon, và mùi. Hàm lượng độ cứng hoặc CaCO₃ trong nước nằm trong khoảng 50 đến 175ppm (Lin, 1977), điều đó thuộc giới hạn yêu cầu về cảm giác ngon miệng (Wellinger và cộng sự, 2015),  tổng độ cứng cao hơn được cho là sẽ làm tăng hiệu quả chiết xuất (Hendon và cộng sự, 2014). Các liên kết giữa ion Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺ với năm axit chính trong cà phê là axit lactic, axit malic, axit citric, axit quinic và axit chlorogenic, và caffein ở dạng alkaloid. Na⁺ ít có khả năng liên kết với các thành phần trong cà phê nhất, Mg²⁺ là khoáng chất liên kết được với các thành phần trong cà phê cao nhất, Ca²⁺ cũng có liên kết tốt nhưng không bằng Mg²⁺ (Hendon và cộng sự, 2014).

Hàm lượng khoáng chất sẽ ảnh hưởng đến độ pH trong cà phê pha. Nước có chứa hàm lượng Ca, Mg, Na thấp có xu hướng tạo ra cà phê pha có độ pH thấp, so với nước có hàm lượng khoáng chất cao. Sự khác biệt độ pH và hàm lượng khoáng chất ảnh hưởng đến các đặc tính hương thơm, hương socola, hương cam quýt, vị đắng, và cảm giác miệng, riêng vị chua của axit acetic và vị axit citric, hậu vị ngọt không bị ảnh hưởng (Fibrianto, và cộng sự, 2017). Và trong nghiên cứu này, pH trong nước từ 5.5-9.13 sẽ không có ảnh hưởng hương vị, tuy nhiên nước pha khác nhau sẽ có sự khác biệt về mùi thơm và hương vị. Do sự tương tác của hệ thống cacbonat và các ion khác, cặn có thể hình thành trên máy pha cà phê, đặc biệt là ở những khu vực có nhiệt độ thay đổi, chẳng hạn như đầu phun và các bộ phận làm nóng.

Độ kiềm

Độ kiềm là thước đo khả năng trung hòa axit trong nước, độ kiềm trong hầu hết các loại nước là có mặt của các anion như cacbonat CO3^2-, bicarbonate HCO3^–, hydroxyl OH^– , ngoài ra còn các thành phần khác như borat, phốt phát, silicat và các bazo khác cũng góp phần vào độ kiềm (Chris Wilson, 2010). Độ kiềm là yếu tố quan trọng liên quan đến cảm quan với hương vị trong cà phê

Ảnh hưởng của độ kiềm đến cảm nhận độ axit khi độ kiềm càng cao thì độ axit càng thấp, đối với độ kiềm >100 ppm CaCO₃, sự trung hòa của các axit chiết xuất từ cà phê bằng hydro cacbonat tạo thành một lượng lớn cacbon dioxide, điều này có thể dẫn đến chiết xuất quá mức (Gardner, 1958; Navarini và cộng sự, 2010). Theo tiêu chuẩn nước dành cho cà phê specialty của SCA được khuyến nghị với độ kiềm là gần hoặc bằng 40mg/l (ppm CaCO₃). Một lượng nhỏ tổng kiềm có giới hạn là cần thiết trong quá trình pha cà phê, vì nó cho phép các hạt cà phê hấp thụ nước tốt hơn. Với lượng quá nhiều, độ kiềm sẽ ảnh hưởng đến cả tốc độ chiết xuất và hương vị thực tế được chiết xuất trong cà phê.

Độ pH

pH được xem là thước đo về mức độ axit hoặc độ kiềm của nước, thang đo pH sẽ nằm trong khoảng từ 0 (rất axit) đến 14 (rất kiềm), phạm vi pH an toàn trong nước thường gặp nhất là khoảng 6.5-7.5 và mục tiêu là 7 (Pooja Arora, 2017). Các nghiên cứu cho thấy rằng khi một phân tử nước tách ra khỏi một proton thì proton đó sẽ lập tức liên kết với một phân tử khác, và pH như một thước đo cho nồng độ proton H+ tự do trong nước. Trong thực tế, cứ độ pH tăng lên một đơn vị thì nồng độ của proton cũng giảm theo một hệ số nhất định, ở nhiệt độ càng cao thì càng có nhiều proton hay ion hydroxit có trong nước trung tính. Vì vậy, ở 25^OC pH trung tính mới có được giá trị chính xác là 7. Nước chứa nhiều ion H+ độ axit cao, dẫn đến độ pH giảm, nước chứa nhiều ion OH- độ bazo cao, độ pH tăng (SCA, 2018).

Độ pH là một chỉ số về sự cân bằng của dung dịch và sẽ xác định ảnh hưởng của các thành phần nước khác, trong một số trường hợp độ pH cao cùng với sự hiện diện của canxi sẽ làm đóng cặn ở các thiết bị sử dụng và quan trọng hơn là sẽ làm mất cân bằng về hương vị rõ rệt nhất là cà phê có vị đắng cao hơn. Độ pH thấp (dưới 7.0) nó cho thấy việc gia tăng sự hiện diện của các ion H+, dẫn đến dung dịch nước sẽ có vị chua cao (SCA, 2011)

Tổng chất rắn hòa tan (TDS)

Một phương pháp phổ biến để có thể phân tích thành phần nước là tính tổng chất rắn hòa tan (TDS), phạm vi chấp nhận nằm trong khoảng 75-250mg/l, mục tiêu là đạt 150mg/l. Tuy nhiên, thực tế thì khi đo TDS, phép đo có phạm vi sai số lên đến 30%, vì lý do này thông số TDS sẽ phải kết hợp với các yếu tố khác để xác định được chất lượng của nước (SCA, 2018). Trong một cuộc nếm thử do Ủy ban Tiêu chuẩn Kỹ thuật của SCAA tiến hành cùng một loại cà phê, máy xay và máy pha cà phê đã được sử dụng và cùng một sự kết hợp tiêu chuẩn của các khoáng chất đã được sử dụng. Sự khác biệt duy nhất là nồng độ khoáng chất trong nước pha, kết quả của thử nghiệm ủng hộ ý kiến ​​cho rằng các khoáng chất được đo bằng TDS trong nước đóng vai trò chính trong việc tạo ra chiếc cốc cuối cùng dựa vào bảng đánh giá dưới đây:

Thử nếm hương vị	Chất rắn hòa tan trong nước (TDS)	Đánh giá từ chuyên gia
1	45mg/l	“Body” mỏng, vị chua.
2	150mg/l	Hương vị đậm đà, thơm ngon tròn vị.
3	450mg/l	Mất cân bằng độ axit và body, mất mùi thơm, hậu vị gắt hơn.

Natri

Natri thường được tìm thấy trong nước dùng với hàm lượng tương đối thấp và lượng natri có thể góp phần ảnh hưởng đến cảm quan cảm nhận vị ngọt hoặc vị chua trong miệng khi thưởng thức cà phê, ngoài ra natri còn là một thành phần của muối sẽ dẫn đến vị mặn trong cà phê. Vì vậy mà giá trị natri trong nước chiết xuất cà phê được khuyến nghị là khoảng 10mg/l (WHO, 2011).

Kết luận 

Những nổ lực nghiên cứu về chất lượng nước được thế giới công nhận sẽ nâng cao về cảm quan của quá trình pha cà phê hay tối ưu hóa việc xử lý nước để chiết xuất cà phê. Các đặc điểm cần lưu ý với chất lượng nước  như sau:

• Tổng độ cứng, độ kiềm, pH là ba thước đo chính góp phần xác định được đặc tính của nước
• Các ion phổ biển trong nước là canxi, magie, hydro cacbonat.
• Đơn vị đo tổng độ cứng ứng với tổng độ canxi và magie là ppm CaCO₃
• Độ kiềm trong nước càng cao thì độ chua của cà phê chiết xuất càng thấp
• Giá trị của tổng độ cứng và độ kiềm càng thấp thì cặn có thể hình thành sẽ càng ít. 

Lưu ý về chất lượng nước để chiết xuất cà phê như sau:

• Nước sạch không mùi, không màu.
• Tổng độ cứng khoảng 17-85ppm CaCO3
• Độ kiềm khoảng 40ppm CaCO3.
• pH trong khoảng 6.5-7.5.
• Tổng chất rắn hòa tan (TDS) trong khoảng 75-250mg/l. 
• Natri khoảng 10mg/l. 

Theo SCA (2018). Các yếu tố như hạt nhân xanh, cách rang, bảo quản, xay và chiết xuất mà các tiêu chuẩn về thành phần nước sẽ có sự khác nhau, cụ thể được mô tả như dưới đây:

• Ảnh hưởng của tỷ lệ pha chế đến thành phần nước tối ưu: các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng tỷ lệ pha thấp sử dụng cho cà phê espresso so với cách pha nhỏ giọt (drip coffee) sẽ làm thay đổi độ cứng và độ kiềm lên mức cao hơn. 
• Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất: vì nhiệt độ và áp suất đều ảnh hưởng đến hiệu suất chiết xuất, và cũng sẽ liên quan đến các giá trị tối ưu thành phần nước sử dụng.
• Ảnh hưởng của mức độ rang: sử dụng nước có tổng độ cứng và độ kiềm cao hơn có thể bù đắp lại được ở một mức độ nào đó mà các cho quá trình rang mà các chất chưa được phát triển đầy đủ. 
• Ảnh hưởng của canxi và magie: các nghiên cứu chỉ ra rằng magie có khả năng làm tăng hiệu suất chiết xuất hơn so với canxi (Hendon và cộng sự, 2014), tuy nhiên sự tác động của canxi và magie lên các đặc tính cảm quan là chưa rõ ràng.

Nguồn tham khảo

American Public Health Association (APHA), American Water Works Association (AWWA), and the Water Environmental Federation (WEF). 1998. Standard Methods for Examinations of Water and Wastewater, 20th ed. United Book Press, Inc. Baltimore, Maryland. 

ASTM D 1067 2002 Standard Test Methods for Acidity or Alkalinity of Water (West Conshohocken: ASTM International)

Colonna-Dashwood M, Hendon C.; Water for Coffee; self-publication; Bath, UK; 2015. 

David Beeman, Paul Songer, Ted Lingle. 2011. The water quality handbook. 

Decazy F, Avelino J, Guyot B, Perriot JJ, Pineda C and Cilas C 2003 Quality of different honduran coffees in relation to several environments J Food Sci 68 (7) 2356-2361 

Environmental Protection Agency USA 1999 Total Hardness (mg/L as CaCO 3) (Titrimetric, EDTA) EPA Method 130.2 

Gardner, D.G., Effect of certain ion combinations commonly found in potable water on rate of filtration through roasted and ground coffee, Journal of Food Science, 23, pp. 76–84, 1958. 

Gloess, A.N., Schoenba ̈chler, B., Klopprogge, B., et al., 2013. Comparison of nine common coffee extraction methods: instrumental and sensory analysis, European Food Research and Tech- nology, 236, 607e627. 

Hendon CH, Colonna-Dashwood, L and Colonna-Dashwood M 2014 The role of dissolved cations in coffee extraction J Agri and Food Chem 62 4947-4950 

K Fibrianto, A D Ardianti, K Pradipta and W B Sunarharum. 2017. The influence of brewing water characteristic on sensory perception of pour-over local coffee 

Leeb, T., Rogalla, I.; Kaffee, Espresso & Barista; TomTom Verlag; 4th edition; 2006. 

Lin SD 1977 Tastes and Odors In Water Supplies: A Review Circular-State of Illinois Department of Registration and Education 127 

Marco Wellinger, Samo Smrke, Chahan Yeretzian. 2017. Water for Extraction—Composition, Recommendations, and Treatment. 

Navarini L., Rivetti D.; Water quality for Espresso coffee; Journal of Food Chemistry; 122, 424–428; 2010. 

Navarini, L., Rivetti, D., 2010. Water quality for Espresso coffee. Journal of Food Chemistry 122, 424e428.

Nebesny E and Budryn B 2006 Evaluation of sensory attributes of coffee brews from robusta coffee roasted under different condition Europe Food Research Technology 224:159-16 

P. Chris Wilson, professor, Department of Soil and Water Sciences, UF/IFAS Indian River Research and Education Center, Fort Pierce, FL. . Water quality notes: Alkalinity and Hardness. This document is SL 332, one of a series of the Department of Soil and Water Sciences, UF/IFAS Extension. Original publication date October 2010. Revised November 2019. Visit the EDIS website at https://edis.ifas.ufl.edu for the currently supported version of this publication. 

Pooja Arora. 2017. Physical, Chemical and Biological Characteristics of Water (e Content Module). https://www.researchgate.net/publication/322419790. 

Rao, S: The professional barista’s handbook; self-publication; USA; 2008. 

Sanche ́z, J.A., Wellinger, M., Gloess, A.N., Zimmermann, R., Yeretzian, C., 2016. Extraction kinetics of coffee aroma compounds using a semi-automatic machine: on-line analysis by PTR-ToF-MS. International Journal of Mass Spectrometry 401, 22e30.

Specialty Coffee Association (SCA), 2018. The SCA Water Quality Handbook.

Specialty Coffee Association of America (SCAA), November 21, 2009. SCAA Standard: Water for Brewing Specialty Coffee.

Washington, DC 20460. Water. EPA. Ambient. Water Quality. Criteria for. Bacteria – 1986. 

Wellinger M, Samo Sand Chahan Y 2015 The SCAE Water Chart Measure Aim Treat.Specialty Coffee Association of Europe (Zurich: Zurich University of Applied Sciences) 

WHO. 2011. Guidelines for Drinking-Water Quality. 4th ed.: World Health Organization. p. 541.

Yeretzian, C, Jordan, A and Lindinger, W 2003 Analysing the headspace of coffee by proton transfer-reaction mass spectrometry Int. J Mass Spectr 223-224